CC BY
131
УДК 621.317
А. П. ПОПОВ щ Н. Ю. МАСЛОВЦЕВА "
Омский государственный технический университет
ИССЛЕДОВАНИЕ
ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ КАТУШКИ С ФЕРРОМАГНИТНЫМ СЕРДЕЧНИКОМ, РАСПОЛОЖЕННОЙ В РАСТВОРЕ ЭЛЕКТРОЛИТА
В статье исследовано электромагнитное поле катушки с ферромагнитным сердечником, расположенной в растворе электролита (измерительного преобразователя погружного типа для контроля электропроводности растворов). Расчет проведен в программном комплексе Elcut. Представлены результаты численного расчета амплитудных значений потокосцепления, амплитудных значений ЭДС, наводимых на катушке с током, возбуждающим электромагнитное поле, проникающего в раствор.
Ключевые слова: численный расчет электромагнитного поля, измерительный преобразователь электропроводности растворов, комплекс программ Elcut.
Способность проводить электрический ток растворами электролитов, как известно, является следствием электролитической диссоциации, то есть распада нейтральных молекул на положительно заряженные ионы (катионы) и на отрицательно заряженные ионы (анионы) [1].
В настоящее время известны различные приборы для контроля электропроводности электролитов, которые применяются в химической, нефтедобывающей, пищевой и других отраслях промышленности. Однако отсутствуют сведения о влиянии электропроводности раствора и конструктивных параметров на выходной сигнал первичного измерительного преобразователя.
В данной работе проводились исследования электромагнитного поля (ЭМП) измерительного преобразователя погружного типа для контроля электропроводности растворов (рис. 1), который представляет собой катушку с ферромагнитным сердечником (абсолютная магнитная проницаемость сердечника при расчете электромагнитного поля принята равной (х= 1000-^о). На катушку в четыре слоя намотан медный изолированный провод диаметром 0,5 мм, число витков катушки w=2401 катушка покрыта слоем диэлектрика толщиной 1 мм. Питание катушки осуществляется от источника тока i = Im•cos (ю; + ф), где 1т= 0,141 А (начальная фаза тока при расчете принята равной нулю). Частота переменного тока принята равной 10 кГц. Раствор электролита имеет относительную магнитную проницаемость |1=1, его электропроводность задается в пределах от у = 3 См/м (электропроводность морской воды) до у = 3^106 См/м (верхний предел электропроводности на порядок меньше электропроводности металлов).
Для реализации поставленной цели исследования необходимо:
—получить картину линий магнитной индукции электромагнитного поля катушки с ферромагнитным сердечником, погруженной в раствор электролита;
—вычислить амплитудные значения потокосце-пления катушки;
—вычислить амплитудные значения наводимой ЭДС и глубину проникновения электромагнитного поля во внешнюю область, окружающую катушку.
Для выяснения зависимости ЭДС катушки от электропроводности раствора использовался комплекс программ Е1си; в основе работы которого лежит метод конечных элементов. Рассматриваемая задача электромагнитного поля переменных токов является осесимметричной [2], параметры окружающей среды и сердечника линейны.
Решение данной задачи в программе Е1си сводится к расчету амплитудного значения потокосце-пления и ЭДС, наводимой на катушке, возбуждающей электромагнитное поле в растворе, по заданной геометрии, электропроводности раствора, магнитной проницаемости сердечника:
Ёт = Н • со • \кт, Ш
где \^т — комплексное амплитудное значение потокосцепления; ю = 2^ — угловая частота; f — частота переменного тока.
На рис. 2 представлена расчетная модель конструкции измерительного преобразователя для расчета ЭМП в программном комплексе Е1си1 Расчетная область содержит сердечник и обмотку с током, окруженных диэлектриком и помещенных в раствор электролита. На этом же рисунке также обозначена граница расчетной области. Расчет амплитудного значения потокосцепления производился с помощью мастера вычисления индуктивностей, предусмотренного в программном комплексе Е1си [2].
На рис. 3а — д показаны картины линий магнитной индукции электромагнитного поля катушки, погруженной в раствор электролита, при различных значениях электропроводности раствора.
Результаты расчета амплитуды потокосцепления и амплитудного значения ЭДС катушки, глубины
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (113) 2012 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (113) 2012
Значение электропроводности у, См/м Потокосцепление катушки Ут, Вб ЭДС катушки, Ет, В Глубина проникновения электромагнитного поля во внешнюю область, окружающую катушку, м Л=л/2/(соу*х)
3 288,1 10—6 18,093 2,91
5 288,1 10—6 18,093 2,25
50 288,1 10—6 18,093 0,71
5102 288,1 10—6 18,093 0,22
5103 287,2 10—6 18,036 0,071
5104 260,710—6 16,372 0,022
5105 149,210—6 9,37 0,0071
15105 104,410—6 6,556 0,0041
3106 84,6710—6 5,317 0,0029
Рис. 1. Модель конструкции для расчета электромагнитного поля (ц0=4я • 10-7 Гн/м)
Рис. 2. Геометрия системы для расчета электромагнитного поля в программном комплексе Е1си (размер стороны клетки 2 мм)
6) Y=5*104 См/м, ч/ш=260,7 10 6 Вб, Л=2,25 м, Еш=16,372 В
в) Y= 5Ч05 См/м, ут=149,210-6 Вб, Д=0,71 м, Ет=9,37 В
г) у=15Ч05 См/м, ^т=104,410-6 Вб, Д=0,0041 м, Ет=6,556 В
проникновения электромагнитного поля при различных значениях электропроводности раствора представлены в табл. 1.
Для практической реализации устройства контроля электропроводности раствора целесообразно поверх обмотки возбуждения ЭМП размещать сигнальную обмотку и использовать метод сравнения с контрольным образцом аналогичной конструкции.
При этом сигнальные обмотки испытуемого и контрольного образцов должны быть включены встречно, т.е. получать разностный сигнал, характеризующий степень отличия от контрольного образца.
На основании изложенного выше можно сделать следующие выводы.
1.Рассмотренный преобразователь из-за нелинейной зависимости выходного сигнала от электропроводности раствора может найти практическое применение в совокупности с электронным лине-аризатором выходной характеристики преобразователя.
2.Выходной сигнал слабо зависит от электропроводности раствора, если глубина проникновения электромагнитного поля существенно превышает диаметр катушки (из-за незначительного влияния вихревых токов).
3.Для выбранной частоты тока возбуждения ЭМП и геометрических размеров данное устройство может быть использовано для контроля электропроводности растворов при у >50 См/м.
Библиографический список
1. Багоцкий, В. С. Основы электрохимии / В. С. Багоцкий. — М. : Химия, 1988. — 400 с.
2. Расчет электрических и магнитных полей методом конечных элементов с применением комплекса программ Е1си : учеб. пособие / А. П. Попов [и др.]. — Омск : Изд-во ОмГТУ, 2010. - 84 с.
д) У=3Ч06 См/м, уш=84,67'10-6 Вб, Л=0,0029 м, Ет=5,317 В
Рис. 3. Результаты расчета потокосцепления,
ЭДС катушки и глубины проникновения электромагнитного поля (Д = ^2/((»уц) ) при различных значениях электропроводности
ПОПОВ Анатолий Петрович, доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой «Теоретическая и общая электротехника».
Адрес для переписки: e-mail: appopov1@yandex.ru МАСЛОВЦЕВА Надежда Юрьевна, аспирантка кафедры «Теоретическая и общая электротехника». Адрес для переписки: e-mail: zoloto_ewa@mail.ru
Статья поступила в редакцию 15.06.2012 г.
© А. П. Попов, Н. Ю. Масловцева
Книжная полка
621.391/А44
Акулиничев, Ю. П. Теория электрической связи : учеб. пособие для вузов по направлению 210400 «Телекоммуникация» / Ю. П. Акулиничев. - СПб. [и др.]: Лань, 2010.- 232 с. - ISBN 978-5-8114-0969-3.
Рассматриваются общие положения статистической теории передачи сигналов. Вводятся математические модели сигналов и помех, описаны основные преобразования, которым подвергаются сигналы в процессе их передачи и приема. Большое внимание уделено вопросам кодирования сигналов: для сокращения избыточности, для повышения помехозащищенности и криптоустойчивости. Освещены методы приема сигналов в когерентных и некогерентных системах связи при наличии шума, а также в условиях многолучевости. Дан анализ методов многостанционного доступа с частотным, временным и кодовым разделением каналов. Определены принципы обмена информацией в телекоммуникационных сетях.
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (113) 2012 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА
